量子計算通過提供更快，更高效的處理器，傳感器和通信設備，具有革新技術，醫學和科學的潛力。

但是在量子系統內傳遞信息和糾正錯誤仍然是制造高效量子計算機的挑戰。

在《自然》雜志上的一篇論文中，普渡大學和羅切斯特大學的研究人員，包括物理學助理教授約翰·尼科爾，羅切斯特博士的學生Yadav P. Kandel和喬海峰，通過轉移狀態來展示他們傳遞信息的方法。電子。這項研究使科學家們朝著創建功能齊全的量子計算機邁出了一步，這是羅切斯特為更好地理解量子行為和開發新型量子系統而采取的行動的最新例證。大學最近從能源部獲得了400萬美元的贈款，用于研究量子材料。

量子計算機根據量子力學的原理進行操作，量子力學是一套獨特的規則，適用于極小的原子和亞原子粒子。當以這些尺度處理粒子時，許多控制經典物理學的規則不再適用，并且量子效應出現了。量子計算機能夠執行復雜的計算，分解非常大的數字，并以傳統計算機無法達到的水平模擬原子和粒子的行為。

量子計算機有潛力通過在分子水平上模擬物質在異常條件下的行為來提供對物理和化學原理的更多了解。這些模擬對于開發新能源，研究行星和星系的狀況或比較可能導致新藥療法的化合物可能有用。

Nichol說：“您和我是量子系統。我們體內的粒子服從量子物理學。但是，如果您嘗試計算體內所有原子發生的事情，您將無法在常規計算機上做到這一點。” “量子計算機可以輕松地做到這一點。”

量子計算機還可以為更快的數據庫搜索和加密打開大門。

Nichol說：“事實證明，幾乎所有現代加密技術都是基于常規計算機分解大量數據的極端困難。” “量子計算機可以輕松分解大量數據并破壞加密方案，因此您可以想象為什么許多政府對此感興趣。”

比特VS。量子比特

普通計算機由數十億個稱為位的晶體管組成。另一方面，量子計算機基于量子位，也稱為量子位，可以由單個電子制成。與可以為“ 0”或“ 1”的普通晶體管不同，量子位可以同時為“ 0”和“ 1”。單個量子位占據這些“疊加狀態”(同時處于多個狀態)的能力是量子計算機巨大潛力的基礎。但是，就像普通計算機一樣，量子計算機需要一種在量子位之間傳輸信息的方法，這帶來了重大的實驗挑戰。

尼科爾說：“量子計算機需要具有許多量子比特，而且它們的制造和操作確實非常困難。” “目前最先進的技術僅用幾個量子位就可以完成某件事，因此距離實現量子計算機的全部潛力還有很長的路要走。”

所有計算機，包括常規計算機和量子計算機以及智能手機等設備，都必須執行錯誤校正。普通計算機包含位的副本，因此，如果位之一變質，則“其余位將獲得多數表決”并修復錯誤。但是，量子位不能被復制，尼科爾說：“所以你必須非常聰明地糾正錯誤。我們在這里所做的是朝這個方向邁出的一步。”

操縱電子

量子糾錯要求各個量子位與許多其他量子位相互作用。這可能很困難，因為單個電子就像條形磁鐵一樣，其北極和南極可以指向上方或下方。極的方向(例如，北極是向上還是向下)被稱為電子的磁矩或量子態。

如果某些種類的粒子具有相同的磁矩，則它們不能同時在同一位置。即，處于相同量子態的兩個電子不能彼此重疊。

尼科爾說：“這是由金屬制成的便士之類的東西不會自行崩塌的主要原因之一。” “電子之所以將自身推開，是因為它們不能同時處于同一位置。”

如果兩個電子處于相反的狀態，則它們可以彼此重疊。令人驚訝的結果是，如果電子足夠接近，它們的狀態將及時來回交換。

尼科爾說：“如果一個電子上升，另一個電子下降，然后在適當的時間內將它們推在一起，它們就會交換。” “他們沒有切換位置，但是他們的狀態切換了。”

為了消除這種現象，Nichol和他的同事將半導體芯片冷卻到極低的溫度。他們使用量子點-納米級半導體-連續捕獲四個電子，然后移動電子，使它們接觸并切換狀態。

尼科爾說：“有一種簡單的方法可以在兩個相鄰電子之間切換狀態，但是要在很長的距離上進行轉換(在我們的例子中是四個電子)，需要大量的控制和技術技能。” “我們的研究表明，這現在是一種長距離發送信息的可行方法。”

第一步

在不移動電子位置的情況下，在一個量子位陣列之間來回傳輸電子狀態，提供了一個驚人的例子，說明了量子物理學為信息科學所提供的可能性。

普渡大學物理與天文學教授邁克爾·曼夫拉(Michael Manfra)表示：“該實驗表明，可以在不實際傳輸單個電子自旋的情況下傳輸量子態信息。” “這是顯示信息如何以量子力學方式傳輸的重要一步，其方式與我們的經典直覺使我們相信的方式完全不同。”

Nichol將此比喻為從第一批計算設備到當今計算機的步驟。也就是說，我們總有一天會用量子計算機代替臺式計算機嗎?Nichol說：“如果您在1960年代問IBM問題，他們可能會說不，這是不可能的。” “那是我現在的反應。但是，誰知道呢?”